一种纳米二氧化钛异质复合膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米二氧化钛异质复合膜的制备方法，采用严密的制备工艺流程，对制备所需的化学物质材料进行精度、纯度控制，通过切制、研磨、清洗、干燥平面玻璃，配制二氧化钛七元混合溶胶、分层旋涂二氧化钛无机膜，真空蒸镀金属铜膜层，真空热处理，最终制成纳米二氧化钛异质复合膜产物，无机二氧化钛膜层厚度分别为100nm和80nm，金属膜层厚度为60nm，总膜层厚度为240nm，此制备方法工艺先进，膜层结构合理严密，产物纯度高，膜层纯度可达99.5％，产物在太阳光下具有很好的光催化性能，是十分理想的制备纳米二氧化钛异质复合膜的方法。

主权项

1.一种纳米二氧化钛异质复合膜的制备方法，其特征在于：本发明使用的化学物质材料为：钛酸丁酯、二乙醇胺、乙酰丙酮、聚乙二醇、无水乙醇、亚甲基蓝、盐酸、去离子水、氩气、铜片、平面玻璃、水浴水、研磨膏，其组合用量如下：以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位钛酸丁酯：Ti(OC₄H₉)₄ 50ml±0.1ml二乙醇胺：NH(C₂H₄OH)₂ 10ml±0.05ml乙酰丙酮：C₅H₈O₂ 10ml±0.05ml聚乙二醇：HO(CH₂CH₂O)₁₈H 5.8g±0.001g无水乙醇：C₂H₅OH 1000ml±5ml亚甲基蓝：C₁₆H₁₈ClN₃S·3H₂O 0.03g±0.001g盐酸：HCl 10ml±0.01ml去离子水：H₂O 5000ml±100ml氩气：Ar 90000cm³±100cm³铜片：Cu 5×20×1mm 1片平面玻璃：无色透明2×25×25mm 1块水浴水：H₂O 5000ml±100ml研磨膏：氧化铝 50g±2g二氧化钛异质复合膜由4层结构组成，基层为平面玻璃层，基层上部为无机层，即二氧化钛层，无机层上部为金属层，即铜层，金属层上部为无机层，即二氧化钛层。制备方法如下：(1)精选化学物质材料对制备所需的化学物质材料进行精选，并进行纯度、精度控制：钛酸丁酯：液态液体，纯度99.99％，二乙醇胺：液态液体，纯度99.99％乙酰丙酮：液态液体，纯度99.99％聚乙二醇：固态固体，纯度99.99％无水乙醇：液态液体，纯度99.99％亚甲基蓝：固态固体，纯度99.99％盐酸：液态液体，浓度37％去离子水：液态液体，纯度99.99％铜片：固态固体，纯度99.99％平面玻璃：平面度1.2μm，表面粗糙度Ra 1.0μm水浴水：液态液体，纯度85％研磨膏：600粒(2)切制、研磨平面玻璃用机械切割平面玻璃周边，成方形，尺寸为2×25×25mm，垂直平行；用研磨膏研磨平面玻璃的上下表面，平面度0.6μm，表面粗糙度Ra 0.5μm；(3)超声清洗平面玻璃将切割研磨后的平面玻璃置于超声波清洗器中，加入去离子水500ml，超声清洗20min，清洗后晾干；(4)真空干燥将超声清洗后的平面玻璃置于真空干燥箱中，进行干燥处理，真空度10Pa，干燥温度40℃±2℃，干燥时间20min±2min；(5)配制二氧化钛溶胶①配制是在四口烧瓶中进行的，将四口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于电热皿上，将四口烧瓶浸泡于水浴缸内的水浴水中，在四口烧瓶上部依次插入氩气管、滴液漏斗、搅拌器、排气管；②配制钛酸丁酯+二乙醇胺+乙酰丙酮+无水乙醇四元混合溶液将钛酸丁酯50ml、二乙醇胺10ml、乙酰丙酮10ml、无水乙醇200ml置于烧杯中，用搅拌器强力搅拌60min±2min，制成钛酸丁酯+二乙醇胺+乙酰丙酮+无水乙醇四元混合溶液；③配制无水乙醇+去离子水二元混合溶液将无水乙醇90ml、去离子水20ml置于另一烧杯中，用搅拌器搅拌5min，制成无水乙醇+去离子水二元混合溶液；④合成二氧化钛溶胶1)将钛酸丁酯+二乙醇胺+乙酰丙酮+无水乙醇四元混合溶液270ml，由滴液漏斗加入四口烧瓶内；2)开启电热皿，加热水浴缸内水浴水，使水浴水升温至25℃±2℃，恒温；3)开启搅拌器，匀速搅拌60±2min；4)开启排气口；5)开启氩气管，输入氩气，氩气输入速度60cm3/min；6)由滴液漏斗加入无水乙醇+去离子水二元混合溶液110ml，继续搅拌180min±2min；制成四元混合溶液+二元混合溶液，成五元混合溶液；7)滴加盐酸将盐酸1.5ml加入滴液漏斗中，打开控制阀，开始滴加，滴加速度0.3ml/min，边滴加边搅拌，调节五元混合溶液酸碱度pH值为4～5，偏酸性，成六元混合溶液；8)加入聚乙二醇打开滴液漏斗加入聚乙二醇5.8g±0.001g，继续搅拌，时间60min±2min，成七元混合溶液；9)七元混合溶液原位静置陈化在温度25℃±2℃的水浴状态下、在氩气保护下，静置陈化960min±2min，成七元溶胶；10)用粘度计测量七元溶胶粘度，在25℃下为0.0218Pa.s，成淡黄色溶胶，备用；11)在制备七元溶胶的过程中，将发生化学反应，反应式如下：水解反应.式中：Ti(OC₄H₉)₄：钛酸丁酯-OH：羟基-OC₄H₉：丁烷氧基HO-Ti(OC₄H₉)₃：钛酸3丁酯C₄H₉OH：丁醇Ti(OH)₄：钛酸(6)旋涂制备无机膜层——二氧化钛层①旋涂无机膜层在真空旋涂机上进行；打开镀膜机腔，将平面玻璃平行置于镀膜转盘上；将注胶枪喷头对准转盘上的平面玻璃；将测厚探头垂直对准平面玻璃；将真空管伸入镀膜机腔内；②关闭镀膜机腔，使其处于密闭状态；③开启真空泵，抽取镀膜机腔内真空，使真空度恒定在0.01Pa；开启镀膜转盘，使其顺时针转动，转速为1370r/min；开启注胶机，带动溶胶管内溶胶，由注胶管、注胶枪喷头均匀喷至转动的平面玻璃上，在平面玻璃上形成膜层；开启测厚探头，测量膜层厚度，当膜层厚度达到110nm时，停止镀膜，静置10min；④观察窗观察镀膜状况；⑤关闭真空泵、注胶机、测厚探头、转盘；⑥打开镀膜机腔，取出镀膜后的平面玻璃；(7)真空热处理在真空热处理炉上进行；将镀有溶胶层的平面玻璃置于真空热处理炉腔内的平台上；抽取炉内真空，使炉腔内压力保持在0.01Pa；开启加热器，使温度升高至450℃±2℃，在此温度恒温、保温静置120min±2min；溶胶膜层在真空加热状态下，将发生膜层变化，在平面玻璃上形成二氧化钛层，其它化学元素挥发，二氧化钛层厚度为100nm；关闭加热器，随炉冷却至20℃±2℃；(8)真空蒸镀金属膜层——铜层①蒸镀金属膜层在真空镀膜机上进行；②打开镀膜机；将镀有二氧化钛膜层的平面玻璃置于镀膜机内顶部的转盘上，膜层面朝下；将铜片垂直安装在铜片座上；将正负极电阻片对准并接触铜片；测量探头对准平面玻璃；③关闭镀膜机；开启真空泵，抽取机腔内真空，使机内真空度恒定在0.003Pa；机腔内温度恒定在25℃±2℃④开启转盘电机，带动平面玻璃转动，转动速度15r/min；接通正负极电源，电压150V，电流40A；铜片在高温作用下，进行形态转换，由固态升华为气态，气态分子在平面玻璃上的二氧化钛膜层上气相沉积、形态转换，生成金属膜层——铜层；铜形态转换：固态——气态——固态，铜升华温度：2400℃±2℃；测厚探头测量铜层厚度为60nm；观察窗观察镀膜情况；⑤镀膜完成后，关闭正负电极电源，关闭真空泵，关闭转盘电机；使平面玻璃上的金属铜膜层冷却至20℃±2℃；⑥开启镀膜机，取出镀有金属膜层的平面玻璃；(9)二次旋涂制备无机膜层一二氧化钛层将镀有金属层的平面玻璃再次置于真空旋涂机上；在平面玻璃的金属层——铜层上再次旋涂溶胶层；在真空度为0.01Pa、转速为1370r/min状态下，均匀旋涂溶胶层，当溶胶层厚度达到90nm时，停止注胶，静置10min±1min；打开旋涂机，取出平面玻璃；(10)真空热处理将二次旋涂溶胶的平面玻璃再次置于真空热处理炉内；在真空度0.01Pa、温度450℃±2℃状态下恒温静置120min±2min；溶胶膜层在真空状态下，将发生膜层变化，在平面玻璃的金属铜层上留存二氧化钛层，其它化学元素挥发，二氧化钛层厚度为80nm；关闭加热器，随炉冷却至20℃±2℃；冷却后，取出平面玻璃；即最终产物：纳米二氧化钛异质复合膜；(11)检测、分析、表征对制备的纳米二氧化钛异质复合膜的形态、色泽、成分、膜层厚度、化学物理性能进行检测、分析、表征；用Dmax2500V型X射线衍射仪进行复合膜的物相分析；用JSM-6700F型扫描电子显微镜观察表面形貌及颗粒尺寸分析；用JEM-2010型透射电子显微镜对膜层的成分和结构进行分析；用756型紫外-可见光分光光度计测试膜层的光吸收性能；通过降解亚甲基蓝水溶液评定其可见光催化活性；结论：纳米二氧化钛异质复合膜整体膜层厚度：240nm二氧化钛层底层厚度100nm铜层厚度：60nm二氧化钛层表层厚度：80nm产物纯度99.5％(12)储存将制备的纳米二氧化钛异质复合膜产物置于无色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，置于阴凉、干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。